深度长文：量子纠缠速度超光速一万倍，为什么不能用于瞬时通讯？

在科普过程中，量子力学是非常重要的一点，而量子纠缠又是量子力学中最热门的话题。

何为量子纠缠？

物理学上是这样定义的：当两个或多个粒子在彼此相互作用后，各个粒子所拥有的特性会综合成为整体性质，于是就无法单独描述单个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，这种现象就是“量子纠缠”。

科学家们早就发现量子纠缠的过程是瞬时完成的，速度远超光速，甚至超过光速的10000倍，这不是违反了爱因斯坦的相对论吗？

并没有，因为量子纠缠并没有传递任何信息，所以并不违反光速限制。

这里有一个问题：信息到底是什么？科学界一个比较认可的定义是数学家香农在一篇论文提到的：信息，就是用来消除随机不确定性的存在。

举个例子，一个箱子里有一只手套，我们不知道是左手套还是右手套，是不确定的。在我们打开箱子之后，会看到手套反射出来的光子，这个光子就是信息，而正是这个信息消除了到底是左手套还是右手套的不确定性，我们也会得到一个确定的结果。

而量子纠缠速度快，但整个过程并没有传递任何信息，而信息是通讯中必不可少的要素，没有信息就不能称之为通讯。

不过，物理学上对于量子纠缠的定义，总会给人一种抽象的感觉，那么到底该如何具体理解量子纠缠呢？

还拿刚才所说的箱子里的手套来打比方。箱子里有两只手套A和B ，手套到底是左手套还是右手套我们并不知道，是随机的。那么，理论上分析，两只手套的状态就会有四种可能性，也就是四种组合，分别是：左左，右右，左右，右左。

这就相当于微观世界的微观粒子，比如说电子，有上旋和下旋两种属性一样，两个电子也会有四种自旋组合形式。

不过对于微观世界的电子来讲，如果两个电子靠得足够近，就会发生一些变化，会释放出光子，同时这两个电子就会形成纠缠状态。正如量子纠缠的定义那样，纠缠之后的两个电子就不再表现单个属性，原来的四种可能的组合就会变成两种可能组合了，因为纠缠中的电子自旋状态一定是相反的，方向只有“上下”或者“下上”两种可能。

此时，即便我们把两个纠缠中的量子分开，让它们相距很远，两者之间的纠缠状态依旧存在。而当我们试图观测其中一个电子的自旋方向时，如果发现是朝上，那么我们立刻就能知道另一个电子的自旋是朝下的，根本不用观测另一个电子就知道。

这里需要强调一点，在我们所在的宏观世界，不管我们观测与否，手套的状态其实早就客观存在了，不会因为我们的观测受到任何影响，我们看到的只是早就存在的确定状态而已。

但是在微观世界就不同了。在我们观测之前，电子的自旋方向并不是客观存在的，而是随机的，是处于“同时上旋和下旋”的叠加态中，当我们观测的一瞬间，电子自旋才会从叠加态坍缩为“要么朝上，要么朝下”的确定状态。

还有，在我们实施观测的一瞬间，两个原本处于纠缠关系的电子就不再有任何关系了，变为两个独立的电子，不再具有纠缠的属性。

不仅仅是光子，其他微观粒子，比如说光子，中子等都可以具备量子纠缠现象。

虽然纠缠中的电子能瞬间感应到彼此，但这并不意味着量子纠缠就能实现超光速传递信息，准确来讲，整个过程并没有传递任何信息，因为无论我如何观测如何操作其中一个电子，假设你在另一个电子旁边，无论如何你都不可能知道我正在观测电子，也不可能知道我对整个电子的任何操作。

为什么？

因为无论我如何操控其中一个电子，你测量另一个电子得到的结果都是“上旋和下旋的几率各占一半”。

既然量子纠缠并不能传递任何信息，那么目前很火的量子通讯到底是什么意思呢？

其实“量子通讯”单从字面上理解很容易引起误解，更严谨的叫法应该是“量子加密通讯”，或者说“量子密钥分发”。具体来讲是这样的。

它是一种密钥的安全传输方式，可以在两个相距遥远的通信端之间进行密钥的发送。在保密通信的过程中，需要用密钥加密解密信息，密钥的安全性保证了信息的安全性，可以通过量子纠缠原理来获取密钥。

与传统加密方式不同，量子密钥分发在理论上是绝对安全的，其安全性由量子力学的基本原理保证的。量子状态是不可复制的，无法完美克隆任意量子态。所以，任何对量子密钥分发过程的窃听，都有可能改变量子态本身，从而使窃听被发现。

而传统方式给信息加密，即便是随机产生的密码，其实本质上也是“伪随机”，因为现实中的任何随机行为都是“伪随机”，并不是真正的“随机”，哪怕是你大脑里看似随机想出来的几个数字，其实都不是真正的随机。

而且理论上，足够强大的电脑，理论上一定能通过穷举的方式破解传统信息的密码。但是永远无法破解同时“量子密钥分发”加密的信息，因为量子态是真正的随机状态，而且是不可复制的。

除了“量子密钥分发”之外，量子纠缠还有更让人期待的应用，量子隐形态传输。很多科幻小说和电影里都有类似的故事情节，通俗来讲就是瞬移传送装置，利用量子隐形态传输实现人和物的瞬间传送。

具体来讲，量子隐形态传输可以这么通俗理解。

假设你和我分别位于甲和乙两个地方，这两个地方有大量相互纠缠的粒子。你和甲处的粒子相互作用，根据量子力学定律你一定会被摧毁，不过没关系，由于你与粒子发生了相互作用，意味着你的信息传递给了甲处纠缠中的粒子。

然后把那些粒子信息以光速传递到我所在的乙处，再利用乙处的纠缠粒子与传过来的信息生成一个全新的“你”，理论上这个全新的你与原来的你完全一样，不过关于这点还是有争议的，不是科学上的争议，更多的是伦理上的争议，这里就不再详述了。

能够看出，量子隐形态传输只是通过量子纠缠原理把量子态信息从一个地方传输到另一个地方，本质上还是离不开传统信息的传输，还是以光速传播信息。当然这只是理论上分析，实际上要想实现量子隐形态传输，过程是很复杂的，因为任何外部环境干扰都可能会有影响。

这也是为什么，人类至今利用量子隐形态传输的最远距离也只有143公里，再远的距离就无法做到了。虽然理论上量子隐形态传输的距离可以达到任意遥远的距离，但实际操作起来是相当困难的，必须尽可能避免外界的任何微小干扰。

总结

量子纠缠的过程虽然是瞬时的，远远超过了光速，但并不能用于传播信息，所以也没有违反爱因斯坦的相对论。

量子纠缠主要用于量子密钥分发，还有就是量子隐形态传输。量子密钥分发其实与传递信息没有多大关系，主要是利用量子纠缠原理给信息加密，保证信息的绝对安全。

而量子隐形态传输看起来好像思想了瞬移，甚至是“超时空传输”，其实本质上还是传统的信息传播方式，必须用传统方式把物体的信息从一个地方传递到另一个地方，然后才能用量子纠缠原理让这个物体“重生”！